进程同步与互斥处理

二、 概要设计
1.方案分析
题目中要求缓冲区是临界资源，写入数据帧时不能进行数据帧的读取，同时， 读取数据帧时也不能进行数据帧的写入， 所以， 数据读取和数据写入是一队互斥的进程。 因此可以定义一个互斥信号量，对其进行 PV 操作以实现两个进程之间互斥。 2 由于题目中定义的缓冲区只能存放十个数据，一次读入只能读取一个数据，一 次写入也只能一个数据，当缓冲区满了就不在写入，缓冲区空就不在读取。为了实现其 中的同步关系，我们定义两个信号量，表示缓冲区的状态，对其分别作 PV 操作。
五、 使用说明及测试结果
1.使用说明：
点击打开应用程序 proj3.exe。程序将会运行，15s 后停止运行，运 行界面如下两幅图：
六、 源程序
#include<iostream> #include<windows.h> using namespace std; typedef int semaphore; int frame_size; const int process_time=3; const int collectstep_time=500; const int TimeLimit=15000; const int Queue_size=10; //定义互斥信号量访问临界资源 HANDLE mutex=CreateMutex(NULL, false, "mutex"); //信号量 full: 缓冲池中等待处理的数据帧数，初值为 0 HANDLE full=CreateSemaphore(NULL, 0, Queue_size, "full"); //信号量 empty: 空余的缓冲区数，初值为 Queue_size 大小 HANDLE empty=CreateSemaphore(NULL, Queue_size, Queue_size, "empty");
//信号量是一种特殊的整型变量
//每 Byte 数据帧处理时间 3ms //数据采集间隔时间 500ms //程序运行时间 15s //队列长度
//定义共享缓冲区 semaphore buffer[Queue_size]; int in=0; int out=0; int buNum=0;
//存储产品编号 //采集产品位置 //处理产品位置 //待处理数据个数
void collectBuffer() { frame_size = rand() % 600; buNum++; in=(in+1)%Queue_size; buffer[in]=frame_size; }
//数据采集 //产生数据帧大小的随机数
//****************Get 进程******************* DWORD WINAPI Get(LPVOID pParm){ while(1){ WaitForSingleObject(empty,INFINITE); //P(empty)生产者信号量-1 WaitForSingleObject(mutex,INFINITE); //P(mutex)获取线程间互斥信号 collectBuffer(); cout<<" 新 数 据 帧 大 小 "<<frame_size<<" Byte,"<<" 待 处 理 数 据 帧 数 目 为 "<<buNum<<endl; ReleaseMutex(mutex); //V(mutex)释放线程间互斥信号 ReleaseSemaphore(full,1,NULL); //V(full)消费者信号量+1 Sleep(collectstep_time); //采集数据间隔 } return 0; } //************Process 进程************ DWORD WINAPI Process(LPVOID pParm){ while(1){ out=(out+1)%Queue_size; WaitForSingleObject(full,INFINITE); //P(full)消费者信号量-1 WaitForSingleObject(mutex,INFINITE); //P(mutex) 获得线程间互斥 信号 cout<<" 正 在 处 理 大 小 "<<buffer[out]<<" Byte,"<<" 处 理 时 间 为 "<<buffer[out]*3<<"ms, 请稍后。 。 。"<<endl; buNum--; ReleaseMutex(mutex); //V(mutex)释放线程间互斥信号 ReleaseSemaphore(empty,1,NULL); //V(empty)生产者信号量+1 Sleep(buffer[out]*3); //处理数据
一．实验要求：
1） 缓冲区是临界资源，写入数据帧时不能进行数据帧的读取， 同时，读取数据帧时也不能进行数据帧的写入，读取/写入数据 帧的时间延时可忽略不计； 2） 数据采集进程每次从前置机获取的数据帧大小随机产生， 但不大于600Byte，两次数据采集的时间间隔为500ms（注意：在 此时间间隔内不占用缓冲区） ； 3） 数据处理进程只在读取数据帧的时候占用临界资源，数据 处理过程中并不占用缓冲区，数据帧的处理时间跟其大小成正 比，每Byte 的处理时间为3ms。
} return 0; } //************主进程************ int main(){ //创建进程 HANDLE hThread1=CreateThread(NULL, 0, Get,NULL,0,NULL); HANDLE hThread2=CreateThread(NULL,0, Process,NULL,0,NULL); //控制程序运行时间 Sleep(TimeLimit); //消除进程 CloseHandle(hThread1); CloseHandle(hThread2); cout<<endl<<"……Time is up. Exit……"<<endl; return 0; }
一次写入也只能一个数据，当缓冲区满了就不在写入，缓冲区空就不在读取。为了实现 其中的同步关系，我们定义两个信号量，表示缓冲区的状态，对其分别作 PV 操作。
3.信号量设计：
full： 缓冲池中等待处理的数据帧数，初值为 0； empty：空余的缓冲区数，初值为 Queue_size 大小 mutex：互斥信号量，对临界区(缓冲区)互斥访问
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2．主要功能模块的功能
写入数据_Get 进程 读取数据和处理数据_Process 进程
3．主程序的流程及各程序模块之间的层次关系
创建 Get 进程、Process 进程 控制程序运行时间 消除进程
三．详细设计
1.相关进程功能
写入数据_Get 进程 读取数据和处理数据_Process 进程
4.PV 操作的使用
//****************Get 进程******************* DWORD WINAPI Get(LPVOID pParm){ while(1){ WaitForSingleObject(empty,INFINITE); /P(empty)生产者信号量-1 WaitForSingleObject(mutex,INFINITE); //P(mutex)获取线程间互斥信号 collectBuffer(); cout<<" 新 数 据 帧 大 小 "<<frame_size<<" Byte,"<<" 待 处 理 数 据 帧 数 目 为 "<<buNum<<endl; ReleaseMutex(mutex); //V(mutex)释放线程间互斥信号 ReleaseSemaphore(full,1,NULL); //V(full)消费者信号量+1 Sleep(collectstep_time); //采集数据间隔 } return 0; } //************Process 进程************ DWORD WINAPI Process(LPVOID pParm){ while(1){ out=(out+1)%Queue_size; WaitForSingleObject(full,INFINITE); WaitForSingleObject(mutex,INFINITE); cout<<" 正 在 处 理 大 小 "<<buffer[out]<<" "<<buffer[out]*3<<"ms, 请稍后。 。 。"<<endl; buNum--; ReleaseMutex(mutex); ReleaseSemaphore(empty,1,NULL); Sleep(buffer[out]*3); } return 0; }
2.进程间同步/互斥关系
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题目中要求缓冲区是临界资源， 写入数据帧时不能进行数据帧的读取， 同时，
读取数据帧时也不能进行数据帧的写入， 所以， 数据读取和数据写入是一队互斥的进程。 因此可以定义一个互斥信号量，对其进行 PV 操作以实现两个进程之间互斥。
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由于题目中定义的缓冲区只能存放十个数据，一次读入只能读取一个数据，
实验题目：进程同步与互斥处理
数据采集进程 获取前置机传来的数据帧并存放在等待缓冲池
中，如图1 所示。等待缓冲池由10 个缓冲区组成环形队列，每 个缓冲区只允许存放1 个待处理的数据帧， 当缓冲池满时不允许 继续存放数据帧。
数据处理进程只有在缓冲池有待处理的数据帧时才不断读取缓Leabharlann Baidu
冲区中的数据帧，并进行处理。
//P(full)消费者信号量-1 //P(mutex)获得线程间互斥信号 Byte,"<<" 处 理 时 间 为
//V(mutex)释放线程间互斥信号 //V(empty)生产者信号量+1 //处理数据
四．分析
1.根据执行过程（程序输出结果） ，分析存在的问题。 有输出结果可以看出， 由于缓冲区大小有限， 当数据过大， 处理时间过长是， 缓冲区会出现拥挤的状态，即无法读入数据，是写入数据的进程被挂起。 为了解决这一问题，可以考虑增大缓冲区的容量，但是实践可知，只要时间 不断走下去，不管缓冲区多大，到一定时间后总会变满。分析可知，只要减小数 据的大小，或者减小处理数据的时间，就可以解决这一问题。